某機動雷達高架舉升系統設計?

江 偉,席廣輝,宋為民,王 林,張安邦

(安徽博微長安電子有限公司，安徽六安237010)

0 引言

某雷達為高機動多功能、多用途防空反導雷達，可陸用也可岸基對海使用。為了提高雷達的陣地適應能力，避免低空障礙物和各種地雜波對雷達信號的干擾，同時在岸基對海工作時，提高低空性能，增加探測距離，需把天線頭從運輸狀態快速舉升至天線相位中心離地面18 m高的工作狀態，并達到規定的精度指標。

1 幾種雷達典型舉升方式

機動雷達高架技術在國內外已廣泛應用于各種不同型號和功能的雷達產品中。對國內外機動雷達高架的舉升形式調研統計，有幾種典型的方案:折疊式液壓舉升系統、圓筒電動伸縮式升降系統和桁架伸縮式液壓舉升系統。

1.1 折疊式液壓舉升系統

采用液壓缸作為動力執行元件，驅動動臂完成折疊式舉升，整個舉升系統安裝在標準的方艙頂部。瑞典的薩伯公司研制的“Giraffe(長頸鹿)”系列機動式雷達[1]，如圖1所示，采用折疊式液壓舉升系統可將雷達天線升高至13 m，可抵抗40 m/s的風載荷不破壞，整車架設/撤收時間為10 min/2人，撤收后滿足公路、鐵路、海運以及空運。國內也有類似的舉高雷達，如圖2所示，也采用折疊式液壓舉升系統，可將天線舉升至8.5 m，整車架設/撤收時間為30 min/4人。

圖1 Giraffe AMB雷達

圖2 國內某舉高雷達

1.2 圓筒電動伸縮式升降系統

采用多節電動升降桿結構形式，主體為一組套疊鋼管，每節鋼管下端設置絲杠螺母，由電機、減速器帶動絲杠旋轉使鋼管上下運動。升降結構節與節之間有鎖緊機構，上升時自動鎖緊，下降時自動解鎖。意大利塞雷斯公司生產的機動高架雷達ARGOS-45[2]，如圖3所示，采用這種舉升方式可將天線舉升到12 m，整車架設/撤收時間為20 min/3人。

1.3 桁架伸縮式液壓舉升系統

桁架伸縮式液壓舉升系統主體由多節桁架套疊，各節桁架配置鋼絲繩和輪組，通過卷筒卷纜鋼絲繩實現桁架舉升，桁架的倒豎由液壓伸縮缸實現。德國40GTM型機動通信雷達，如圖4所示，采用GEROH系列桁架式升降塔最高可以將天線舉升40 m，整車架設/撤收時間為25 min/2人。

圖3 ARGOS-45雷達

圖4 40GTM型機動通信雷達

1.4 典型方案比較

由表1可知，幾種典型方案各有優缺點，為滿足某雷達設計要求需設計一種新的機構形式。

表1 幾種方案的比較

2 某雷達主要設計要求

天線尺寸為2.2 m×1.0 m，天線頭重量(包括轉臺)為800 kg，風速要求:風速≤25 m/s，天線轉速為12 r/min;風速≤30 m/s，天線轉速為6 r/min;風速≤35 m/s，停機不損壞;天線工作時，天線中心偏離量小于20 mm;舉升時間為2 min。要求舉升系統與天線、天線座、電子設備、操作室、液冷設備、發電設備等高度集裝于一輛載車上，運輸方式要求滿足公路、鐵路、空運的運輸要求，整車架設/撤收時間為15 min/2人。

3 舉升系統設計

文中提出了一種基于平面機構原理的折疊式多連桿液壓舉升裝置，安裝在7 m非標準方艙頂部，而操作室、電子設備、液冷設備、發電設備等分布在艙內的三個區域，可實現天線舉升到距地面18 m，其中舉升系統需舉高13.5 m，撤收后滿足國軍標的運輸要求，如圖5～7所示。

3.1 系統組成與工作原理

如圖5～9所示，該舉升系統為機電液一體化系統，由支座與機械限位裝置、3組雙液壓缸驅動系統、下舉升連桿、輔助連桿、上舉升連桿以及升降平臺等組成，其中舉升鎖緊裝置由帶機械鎖緊的驅動液壓缸與液壓鎖緊回路雙重保護組成。采用液壓回路驅動控制雙液壓缸同步運動和兩組雙液壓缸聯動工作，各液壓缸通過鉸支點與舉升連桿連接，天線頭由舉升連桿的運動帶動實現水平姿態升降，到位后由雙重自動鎖緊裝置完成鎖緊。

由圖8機構運動簡圖可知，機構中活動構件數n=9，低副P5=12，高副P4=0，機構自由度為

機構自由度數與主動件(3個液壓缸)數相等，符合機構運動原理[3]。

3.2 載荷分析

舉升系統承載主要由液壓驅動系統和舉升連桿兩部分完成，其中液壓驅動系統承載對系統設計與元件選型起著決定性作用，舉升連桿受力只需在結構設計中加以考慮。液壓系統承受的載荷主要包括天線頭的重量、多連桿機構自重、風載荷等。系統舉升過程中，驅動油缸1和2分別在初始位置時負載最大，驅動油缸3在舉升到位后負載最大。

圖5 系統運輸狀態

圖6 系統工作狀態

圖7 艙內設備布局示意圖

圖8 舉升機構運動簡圖

圖9 液壓驅動控制系統原理圖

設計風速取V=35 m/s，風力系數C F=1.12，風力矩系數C M=1.3，陣風因子K=1.15，空氣密度ρ=0.125 kg·s2/m4，天線陣面面積A=2.2 m2，則天線陣面風阻力F與風阻力矩M分別為[4-5]

經計算，驅動油缸1最大載荷:F N1max=78 527 N;驅動油缸2最大載荷:F N2max=122 618 N;驅動油缸3最大載荷:F N3max=115 623 N。

3.3 液壓系統主要參數計算

1)油缸參數計算

根據各油缸載荷情況，綜合考慮重量、液壓元件的性能、可靠性、安全性、外形匹配的美觀性及成本等因素，選擇液壓油的最高工作壓力為p=10 MPa。

計算油缸缸徑D:

式中，Fmax為液壓缸的外負載;p為液壓油的工作壓力。

計算得油缸最大直徑，查手冊[6]取D1=100 mm，D2=125 mm，D3=125 mm。

計算活塞桿直徑d:

計算得相應活塞桿直徑，查手冊[6]取d1=80 mm，d2=90 mm，d3=90 mm。

驗算油缸最大工作壓力p m:

式中，p b為液壓缸出口背壓，取1.5 MPa;A1為油缸無桿腔有效工作面積，A1=πD2/4 m2;A2為油缸有桿腔有效工作面積，A2=π(D2-d2)/4 m2。

計算得p m1=10 MPa，p m2=10 MPa，p m3=9.42 MPa。

計算油缸流量q:

式中，A為油缸活塞的有效面積(cm2);v為油缸活塞的速度(m/min)，v1=0.963 m/min，v2=0.979 m/min，v3=0.459 m/min;ηv為油缸的容積效率，取1。

計算得各單驅動油缸流量為q1=7.56 L/min，q2=12.01 L/min，q3=5.63 L/min。

所 以，1，2，3 型 雙 驅 動 油 缸 流 量 分 別 為15.12 L/min，24.02 L/min，11.26 L/min。

2)油泵參數計算

計算油泵最大工作壓力p p:

式中，p m為液壓缸的工作壓力;Δp為從液壓泵出口到液壓缸入口之間的總壓力損失，取1.5 MPa。

計算油泵的最大供油量q p:

式中，K為系統泄漏影響系數，取1.2。

3.4 有限元分析計算

1)舉升臂受力分析

舉升臂均采用4 mm瑞典高強度鋼板折彎焊成的封閉矩形結構，上舉升連桿截面尺寸為380 mm×250 mm，下舉升連桿的截面尺寸為270mm×250mm，有限元建模時，采用殼單元。計算時天線頭采用集中質量等效，液壓缸采用桿單元。固定下舉升連桿底部轉動軸和驅動油缸3下鉸接點，分別計算三種工況:在天線頭及上下舉升連桿表面的-X、+Y、-Y三個方向施加風載荷。圖10為應力最大工況-X方向舉升臂應力分布云圖，受力最大部位在下舉升連桿底部轉動部位，最大應力σmax=217.83 MPa＜σ700，安全系數為3.2，滿足設計要求。

圖10 舉升臂的應力分布云圖

2)工作狀態舉升臂剛度校核

固定下舉升連桿底部轉動軸和驅動油缸3下鉸接點，35 m/s風載(即水平風力2 445 N，扭矩6 243.5 Nm)，設備重量800 kg情況下，算得舉升機構工作狀態下X方向天線中心處的變形如圖11所示，最大變形量為10.37 mm，考慮各轉軸的配合間隙引起的天線中心處變形，總變形小于20 mm，滿足設計要求。

圖11 舉升臂整體結構變形云圖

4 結束語

本文針對某型雷達的具體要求，設計了一種折疊式多連桿液壓舉升裝置，對結構進行了系統的設計分析，實現了舉升裝置及電子設備高度集成于一輛載車，滿足舉升高度且運輸不超限。相比其他類似機構具有舉升高度高，剛強度好，結構簡單、緊湊，操作方便等特點。

[1]HOLM J，HULTGREN T.Distributed Hydraulic System in Radar Systems-A Study of the Possibilities for Distributed Hydraulics in Giraffe AMB[D].Sweden:Chalmers University of Technology，2011.

[2]Bannister D J.Radar In-Fill for Greater Wash Area Feasibility Study-Final Report，ED02698[R].UK:COWRIE Ltd，2007:20-21.

[3]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理(第7版)[M].北京:高等教育出版社，2006.

[4]葉尚輝，李在貴.天線結構設計[M].西安:西北電信工程學院出版社，1986.

[5]房景仕，程輝明.大角度折疊機構的系統設計[J].雷達科學與技術，2010，8(5):480-485.FANG Jing-shi，CHEN Hui-ming.Design of Big Angle Folding Mechanism[J].Radar Science and Technology，2010，8(5):480-485.(in Chinese)

[6]張嵐，弓海霞，劉宇輝.新編實用液壓技術手冊[M].北京:人民郵電出版社，2008.